降水的同位素指紋可以鎖定在穩定的歷史檔案中，如冰川和極地冰、海洋和湖泊沉積物、樹木年輪和古代地下水。這些古氣候檔案可用于重建過去的氣候條件，記錄千百年來的環境變化。
為了對古氣候檔案進行年齡測定，可以利用放射性同位素，而氧和氫的穩定同位素是重建過去溫度和環境條件的關鍵工具。氣候研究人員和建模專家幾十年來一直使用水同位素來更好地了解不同空間和時間尺度下的大氣環流模式、當今氣象過程和過去的氣候條件。古氣候研究的一個重要資源是全球降水同位素網，這是一個自1961年以來由國際原子能機構和世界氣象組織運行的同位素信息數據庫。
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